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一种低复杂度GPS载波跟踪环路设计

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一种低复杂度GPS载波跟踪环路设计

姜󰀁毅,张淑芳,胡󰀁青,孙晓文,张晶泊

(大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026)

󰀁󰀁摘󰀁要:󰀁GPS接收机载波跟踪环路的鉴别器和滤波器设计决定了跟踪环路的性能,也在很大程度上决定了GPS

接收机的性能.本文在分析了传统锁相环和锁频环鉴别器算法的基础上,提出了一种锁相锁频环共用四象限反正切函数单元的鉴别器算法;同时,在研究了基于双线性Z变换积分器与矩形波数字积分器的滤波算法基础上,提出了一种

基于矩形波数字积分器的锁频环辅助锁相环的滤波器算法.综合这两种新算法给出一种低复杂度的GPS接收机锁相锁频环设计方法.通过理论分析与仿真实验,证实该GPS载波跟踪环路设计不但具有良好的跟踪性能,且与传统设计

方案相比具有运算量小,复杂度低,占用资源少等优点,更易于工程实现.关键词:󰀁载波跟踪环路;锁相环;锁频环;环路滤波器;低复杂度

中图分类号:󰀁TN965󰀁󰀁󰀁文献标识码:󰀁A󰀁󰀁󰀁文章编号:󰀁0372󰀁2112(2010)12󰀁2822󰀁05

ALowComplexityDesignofGPSCarrierTrackingLoop

JIANGYi,ZHANGShu󰀁fang,HUQing,SUNXiao󰀁wen,ZHANGJing󰀁bo

(InformationScienceandTechnologyCollege,DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China)

Abstract:󰀁AdiscriminatoralgorithmandaloopfilterstructurecriticallyaffecttheperformanceofaGPScarriertrackingloop

andareceiver.Firstly,fromtheanalysisofthetraditionalPLL(phase󰀁lockedloop)andFLL(frequency󰀁lockedloop)discrimina󰀁tors,anewdiscriminatoralgorithmisputforwardbasedonasharedfour󰀁quadrantarctangentfunctionbetweenPLLandFLL.Sec󰀁

ondly,aloopfilterdesignisgivenbasedontheboxcardigitalintegratorbycomparisonwithadigitalbilineartransformintegrator.Finally,alowcomplexitydesignschemeforGPScarriertrackingloopisrepresented,whichiscomposedoftheproposeddiscrimina󰀁

torandtheloopfilteringalgorithms.Thetheoreticalanalysisandsimulationresultsconfirmthatthisnoveldesignhaslowcomplexi󰀁ty,lessresourcesandachievesgoodtrackingperformance.

Keywords:󰀁carriertrackingloop;PLL(phase󰀁lockedloop);FLL(frequency󰀁lockedloop);loopfilter;lowcomplexity

1󰀁引言

󰀁󰀁GPS系统在全球范围内为用户提供精确的定位和

授时服务,广泛应用于军事、工业和日常生活等领域.

GPS接收机作为其重要组成部分在整个GPS定位系统

中起着至关重要的作用.而GPS接收机中的载波跟踪

环路则决定着接收机的定位精度以及动态性能[1],因

此,改善载波跟踪环路算法,简化跟踪环路设计对提高

GPS接收机性能,推广GPS应用具有重要意义.

环路鉴别器和环路滤波器作为载波跟踪环路的重

要组成部分,其设计方案直接决定了载波跟踪环路的复

杂度.国内外学者对二者进行了大量研究,取得了许多

有益的成果.在载波环路鉴别器算法方面,文献[2]给出

了4种归一化的锁相环(Phase󰀁LockedLoop󰀂PLL)鉴别

器算法,文献[3]在传统CostasPLL鉴别器算法基础上

提出了一种UFA(UnambiguousFrequencyAided)PLL鉴别器算法;锁频环(Frequency󰀁LockedLoop󰀂FLL)鉴别器算

法包括叉积法、点积叉积法、四象限反正切法以及FFT

鉴频法[4]等.在载波环路滤波器设计方面,文献[5]最早

提出了锁频环辅助锁相环的环路滤波器设计方案,文献

[6]通过给传统滤波器增加极点来改善环路的动态性

能.但在目前已有的关于载波跟踪环路的研究中,锁相

环和锁频环鉴别器往往采用不同的算法,增加了跟踪环

路的运算量和复杂度;环路滤波器设计通常采用双线性

Z变换的方式,虽然与理想积分器近似效果最佳,但实

现较复杂.为了解决上述载波跟踪环路实现复杂度高的

问题,本文主要针对环路鉴别器算法和环路滤波器结构

进行改进.首先,提出一种基于四象限反正切函数的锁

相锁频环路鉴别器算法,通过锁相环和锁频环鉴别器共

用反正切运算单元,减小载波跟踪环路鉴别器的运算量

和复杂度.其次,利用矩形波数字积分器设计了FLL辅

助PLL的结构简单的环路滤波器,较传统基于双线性Z

收稿日期:2010󰀁01󰀁20;修回日期:2010󰀁06󰀁12基金项目:国家863高技术研究发展计划(No.2009AA12Z312);国家自然科学基金(No.60972091)󰀁第12期2010年12月电󰀁󰀁子󰀁󰀁学󰀁󰀁报ACTAELECTRONICASINICAVol.38󰀁No.12Dec.󰀁2010󰀁变换积分器的环路滤波器减小了复杂度.最后,综合上

述研究成果,给出一种新型低复杂度的二阶FLL辅助

三阶PLL的GPS载波跟踪环路设计方案.通过理论分

析对比与仿真实验,证实本文提出的设计方案可以显

著减小GPS载波跟踪环路的复杂度,提高近1倍的运算

速度,减少算法占用的接收机资源,从而降低接收机成

本,并实现对常数、阶跃和斜升变化的GPS载波信号的

跟踪,具有良好的载波信号跟踪性能.

2󰀁低复杂度载波跟踪环路设计

󰀁󰀁GPS载波跟踪环路是由环路鉴别器、环路滤波器和

数字控制振荡器(NCO)组成[7].环路鉴别器通过鉴别器

算法得到本地复现信号与输入信号间的误差估计值;

环路滤波器去除噪声对该误差估计值的影响,产生误

差控制信号;NCO根据误差控制量调整本地复现信号.

根据环路鉴别器输出误差估计值的不同,载波跟踪环

路分为PLL和FLL[8].其中,PLL的动态跟踪范围较小,

但跟踪精度较高;FLL具有较大的动态跟踪范围,但跟

踪精度比PLL差.因此,为了同时满足定位精度和动态

范围的需求,载波跟踪环路通常采用FLL辅助PLL的环

路跟踪方式.它利用PLL跟踪接收信号的载波相位,得

到载波相位估计的精确测量值;利用FLL跟踪接收信

号的载波频率,满足接收机的动态性能.

GPS载波跟踪环路的性能主要由环路鉴别器和环

路滤波器的算法决定.因此,本文主要对两者的设计方

案进行研究.并在此基础上,给出一种新型的低复杂度

GPS载波跟踪环路设计方法.

2󰀂1󰀁基于四象限反正切函数的鉴别器算法设计

2󰀂1󰀂1󰀁传统环路鉴别器算法

由于GPS载波跟踪环路采用FLL辅助PLL的环路

跟踪方式[5],因此,环路鉴别器分为PLL环路鉴别器和

FLL环路鉴别器.

(1)PLL环路鉴别器算法

由于GPS输入信号中含有导航电文数据,接收机

载波跟踪环路中的PLL必须对双相移相键控(BPSK)调

制不敏感,通常采用CostasPLL实现.常用算法为Costas

二象限反正切法[7],表达式如下󰀁ECostas(n)=arctan2(Qn/In)=󰀁fn󰀂T+󰀁 n kn󰀂(1)

其中,arctan2(!)为二象限反正切函数;In和Qn分别为

时刻n同相支路和正交支路的相关输出结果;󰀁fn和󰀁 n分别为时刻n本地信号与输入信号之间的频率误

差和相位误差;T为预检测积分时间;kn为正整数.

ECostas(!)在(-󰀂/2,󰀂/2)误差范围内保持线性.

(2)FLL环路鉴别器算法

FLL环路鉴别器通常采用四象限反正切FLL鉴别器算法[8],表达式如下EFLL(n)=(arctan4(Crossn,Dotn))/T(2)

其中,arctan4(!)为四象限反正切函数;Crossn和Dotn分

别表示时刻n的叉积项和点积项,表达式如下

Crossn=In-1Qn-InQn-1(3)

Dotn=In-1In+Qn-1Qn(4)

根据式(1)和式(2)可以看出,传统GPS载波跟踪

环路中的PLL环路鉴别器和FLL环路鉴别器分别采用

不同的鉴别器算法ECostas(!)和EFLL(!),在实现上各需

要一个单独的反正切运算单元.由于反正切运算量较

大,使得载波跟踪环路鉴别器算法的复杂度较高.

2󰀂1󰀂2󰀁基于四象限反正切函数的鉴别器算法

本文提出一种基于四象限反正切函数的载波跟踪

环路鉴别器算法,PLL环路鉴别器和FLL环路鉴别器通

过共用一个反正切运算单元,来达到减小载波跟踪环

路鉴别器复杂度的目的.

(1)基于四象限反正切PLL环路鉴别器算法

传统四象限反正切PLL鉴别器算法如式(5).

EPLL(n)=arctan4(QnIn)=󰀁fn󰀂T+󰀁 n k∀n!2󰀂(5)

其中,k∀n为正整数.由于EPLL(!)在(-󰀂,󰀂)范围内始终

保持线性,对导航电文数据的跳变敏感,通常情况下并

不适用于GPS载波跟踪环路.

为解决该问题,需对传统四象限反正切PLL鉴别器

算法的输出进行校正,克服导航电文数据带来的影响.

本文采用形如式(6)的校正函数对其输出进行校正.

f(x)=x,|x|<󰀂/2

x-sgn(x)!󰀂,|x|>󰀂/2(6)

其中,sgn(!)为符号函数.

图1对传统四象限反正切PLL,CostasPLL以及本

文提出的基于四象限反正切函数的PLL鉴别器算法进

行了比较.

图中曲线表示在上述三种鉴别器算法中输入的真

实相位误差与输出的相位误差估计之间的关系.从图1

可以看出,CostasPLL和本文提出的基于四象限反正切

函数的PLL所对应的曲线重合,这说明传统四象限反

正切PLL鉴别器算法的输出经式(6)函数校正后与2823第󰀁12󰀁期姜󰀁毅:一种低复杂度GPS载波跟踪环路设计

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基于片上系统的GNSS兼容接收机设计与实现

基于片上系统的GNSS兼容接收机设计与实现

２０１２年６月第３期　现代导航　・１７１・　

基于片上系统的ＧＮＳＳ兼容接收机设计与实现　

魏敬法　

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安７１００６８）　

摘要：提出了利用ＦＰＧＡ内的嵌入式软核ＮｉｏｓｌＩ代替专用ＤＳＰ处理器和通用控制器，在　

单片ＦＰＧＡ内实现整个ＧＮＳＳ组合导航定位接收机的总体方案。分析了该模式下的快速捕获、相　

关器、载波跟踪环和码跟踪环算法理论与实现，给出了该组合接收机２４ｈ的静态测试结果。结果　

表明，该ＧＮＳＳ组合接收机设计满足要求。　关键词：导航；ＧＮＳＳ接收机；片上系统；ＮｉｏｓＩＩ嵌入式软核　

中图分类号：ＴＮ９６５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—７９７６一（２０１２）０３—１７１—０５　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＮＳ　Ｓ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ　

Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ　

ＷＥＩＪｉｎｇｆａ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＧＮＳＳ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ＦＰＧＡ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｏｆｔ－ｗａｒｅ　ｃｏｒｅ　ＮｉｏｓＩＩ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｎ　ＤＳＥ　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆａｓｔ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，　

ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ，ｃａｒｒｉｅｒ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ｃｏｄｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｌｏｏｐ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　

ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｉｎ　２４　ｈｏｕｒｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｔｈｉｓ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｃａｎ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ＧＮＳＳ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ；Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ；Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｃｏｒｅ　ＮｉｏｓｌＩ　

GPS试题及答案

GPS试题及答案

1 绪论

1空间定位技术的优点

➢ 测站间不需要相互通视

➢ 数学模型简单且能同时确定点的三维坐标

➢ 易于实现全天候观测

➢ 能达到大地测量所需要的精度水平，在长距离上仍能获得高精度的定位结果

➢ 观测时间比较短

➢ 操作简单,功能多，应用广

➢ 经济效益显著

2 GPS定位系统的组成及作用

➢ 空间部分GPS卫星：提供星历和时间信息，发射伪距和载表信号，提供其它辅助信息

➢ 地面监控部分地面监控系统：中心控制系统、实现时间同步、跟踪卫星进行定轨

➢ 用户部分GPS接收机:接收并测卫星信号、记录处理数据、提供导航定位信息

三、时间与坐标

春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点

真近点角：在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距．

升交点赤经:在地球平面上，升交点与春分点之间的地心夹角．

近地点角距：在轨道平面上近地点与升交点之间的地心角距．

天球:指以地球质心为中心,半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈.

岁差：指由于日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间的方向发生周期性变化。

章动:北天极除了均匀地每年西行以外，还要绕着平北天极做周期性的运动.轨迹为一椭圆.

极移：地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的,地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移

历元:在天文学和卫星定位中,与所获取数据对应的时刻也称历元。

符合下列要求的周期运动现象可用作确定时间的基准：

• 运动是连续的、周期性的.

• 运动的周期应具有充分的稳定性.

• 运动的周期必须具有复现性,即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。

第四章 卫星运动的基础知识及GPS卫星的坐标计算

轨道：卫星在空间运行的轨迹

轨道参数：描述卫星轨道位置和状态的参数

卫星星历：描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率

数字通信系统的载波同步技术研究与实现

数字通信系统的载波同步技术研究与实现

数字通信系统的载波同步技术研究与实现

摘要：随着信息技术的飞速发展，数字通信系统已成为现代通信领域的核心，其中载波同步技术作为数字通信中的关键技术之一，在提高数据传输的准确性和可靠性方面起到了至关重要的作用，对我国通信行业的发展具有重要意义。目前，我们处于数字化时代，通信行业在日益白热化的市场中迎来了新的发展机遇与挑战，如何提高载波同步技术水平，完善数字通信系统，推动通信行业发展，是目前亟待解决的问题。基于此，本文对数字通信系统的载波同步技术研究与实现进行探讨，旨在为高动态环境的载波同步技术的算法和具体实现提供参考。

关键词：数字通信系统、载波同步技术；高动态

信息传递是人类从古至今必不可少的活动，在推动社会发展发面具有不可替代的作用。随着社会的不断发展，信息传递的形式与内容都发生了变化，目前通信方式最广泛的是基于数字信号进行通信。在数字通信系统中，载波同步是实现正确解调和数据恢复的关键环节，由于通信环境中的多径效应、噪声干扰和频率偏移等因素，载波同步技术面临着诸多挑战。加上信息时代的高速发展，人们对通信的需求不断增大，高速数据传输出现，在星地融合通信系统可用性基础上，对高动态环境下载波同步技术的研究与实现具有重要意义。

1载波同步技术概述

载波同步是指接收端在接收数字信号时，能够准确地恢复出发送端调制的载波频率和相位，确保数据解调正确，载波同步技术是实现数字通信系统稳定运行的关键，其性能直接影响到数据传输的质量和效率。通信系统同步技术主要包括采样定时同步技术、载波同步技术、传统帧同步技术、同步训练序列的选择，其中载波同步技术主要包括插入导频法、直接法和间接法[1]。其中插入导频法通过在发送信号中插入已知频率的导频信号来实现同步；直接法利用接收信号的某些特性直接估计载波参数；间接法则是通过估计发送信号的某些参数来间接得到载波参数。

目前，载波同步算法主要包括载波同步、平方环、同相-正交环(科斯塔斯环Costas)、判决反馈环、锁相环（PLL）算法，这些算法通过不同的机制实现对载波频率和相位的准确跟踪和估计。其中锁相环算法是一种常见的载波同步算法，其基本原理是利用反馈控制原理，通过不断调整本地产生的载波信号的相位和频率，使其与接收信号保持同步。PLL算法通常由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器三部分组成[2]。在实际中开发有效的载波同行同步算法，能够优化通信系统新能，有效提高通信系统的鲁棒性。

GPS L1C导航信号PMF+FFT捕获算法研究与实现

GPS L1C导航信号PMF+FFT捕获算法研究与实现

GPS L1C导航信号PMF+FFT捕获算法研究与实现

王锋;韩俊博;焦国太;耿生群

【摘 要】针对GPS L1C信号的频段特点,文中介绍了一种改进的匹配滤波器和FFT相结合的捕获方法.该方法有效结合了串行捕获与并行捕获的优点,在减少硬件资源的同时实现了信号的快速捕获,且在MATLAB平台上实现了伪码捕获的仿真及算法性能分析.该方法能提高导航系统在复杂环境下的抗干扰能力,为特殊环境下信号伪码捕获提供参考,可用于新型的导航信号接收平台的设计中.

【期刊名称】《弹箭与制导学报》

【年(卷),期】2013(033)004

【总页数】3页(P61-62,66)

【关键词】卫星导航;PMF;捕获;匹配滤波器

【作 者】王锋;韩俊博;焦国太;耿生群

【作者单位】中北大学机电工程学院,太原030051;中北大学机电工程学院,太原030051;中北大学机电工程学院,太原030051;北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191

【正文语种】中 文

【中图分类】V249.328

0 引言

GPS L1C信号包含调制方式MBOC(6，1，1/11)的信号，到目前为止，GPS和 Galileo已经在以1575.42MHz为中心的 L1频段上布置了六种导航信号，致使该频段的频谱相当拥挤，从而不可避免的产生相互间的干扰。因此，对GPS L1C在这种特殊环境下对信号进行更好的捕获是必要的[1]。

卫星导航接收机进行导航定位时，首先必须通过捕获和跟踪过程，建立与卫星信号的精确同步[2]。使用传统的捕获方法对GPS L1C进行直接捕获在载噪比较低或者信号比较差的环境下，是不能保证比较高的捕获概率的。文中的目标是基于FPGA设计高动态接收机的直接捕获模块，以获得更好的捕获性能，以提高导航系统在复杂环境下的抗干扰能力。

常用的捕获方法有滑动相关法，匹配滤波器法和FFT快速捕获方法，文中在此基础上介绍一种改进的PMF+FFT算法，即匹配滤波器结合 FFT的快捕算法，并通过仿真分析和硬件实现来讨论这种方法的好处。